Repetitorium der Technischen Thermodynamik Von Prof. Dr.-Ing. habil. Achim Dittmann, Prof. Dr.-Ing. habil. Siegfried Fischer, Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Huhn und Dr.-Ing. Jochen Klinger, Technische Universitäf Dresden Mit 200 Bildern B. G. Teubner Stuttgart 1995
Inhaltsverzeichnis I Energielehre 13 1 Einführung 15 1.1 System und Zustand 15 1.2 Bilanzen und Prozesse 19 1.2.1 Massen- bzw. Mengenstrombilanzen 19 1.2.2 Energiestrombilanzen 23 1.2.3 Prozesse 25 2 Thermisches Zustandsverhalten von Fluiden 27 2.1 Thermische Zustandsgrößen 27 2.2 Thermisches Zustandsverhalten realer Fluide. 30 2.2.1 Zustandsdiagramme und -tabellen 30 2.2.2 Zustandsgieichungen 34 2.3 Thermisches Zustandsverhalten idealer Gase und Gemische 40 3 Energetisches Zustandsverhalten von Fluiden 47 3.1 Zusammenstellung wichtiger thermodynamischer Funktionen 48 3.2 Energetisches Zustandsverhalten realer Fluide 51 3.2.1 Überhitzter Dampf. 51 3.2.2 Fluides Zweiphasengebiet 60 3.2.3 Unterkühlte Flüssigkeit 68 3.2.4 Energetische Zustandsdiagramme 70 3.3 Energetisches Zustandsverhalten idealer Gase 73 3.3.1 Ideale Einzelgase 74 3.3.2 Ideale Gasgemische 76
4 Inhaltsverzeichnis 4 Energetische Bilanzierung mit dem Ersten Hauptsatz 83 4.1 Anwendung auf stoffdichte Systeme 83 4.2 Energiestrombilanz an stoffdurchlässigen Systemen... 88 5 Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik 93 5.1 Formulierungen und Konsequenzen 93 5.2 Anwendungen des 2. Hauptsatzes 100 6 Modellierung einfacher Prozesse 107 6.1 Einfache reversible Prozesse 107 6.1.1 Prozesse mit isentropen Zustandsänderungen... 110 6.1.2 Prozesse mit isobaren und isochoren Zustandsänderungen 115 6.1.3 Prozesse mit polytropen Zustandsänderungen.. 116 6.2 Ausgewählte irreversible Prozesse 118 6.2.1 Verdichtungs- und Entspannungsvorgänge... 119 6.2.2 Strömungsvorgänge in Kanälen und Rohren... 123 6.3 Speicherprozesse 134 6.3.1 Berechnungsgrundlagen 134 6.3.2 Speicherung im fluiden Einphasengebiet 136 6.3.3 Speicherung im fluiden Zweiphasengebiet 140 7 Technische Verbrennungsvorgänge 145 7.1 Stoffumsatzberechnungen 145 7.1.1 Brennstoffzusammensetzung 145 7.1.2 Luftbedarf und Abgaszusammensetzung 147 7.2 Energetische Bewertung des Verbrennungsprozesses... 151 7.2.1 Verbrennungsenthalpie 152 7.2.2 Adiabate Verbrennungstemperatur 155 7.2.3 Abkühlung der Verbrennungsgase 161 8 Kreisprozesse 165 8.1 Prozeßgrößen und Bewertungskennziffern 165 8.2 Rechtsprozesse 168 8.2.1 Rechtsprozesse mit gasförmigen Arbeitsmedien.. 169 8.2.2 Der Clausius-Rankine-Prozeß 184 8.2.3 Dampfkraftprozeß mit Kraft-Wärme-Kopplung.. 198 8.2.4 Kombinierte Gas- und Dampfkraftwerke 203 8.3 Linksprozesse 210
Inhaltsverzeichnis 5 8.3.1 Prozesse mit gasförmigen Arbeitsmedien 210 8.3.2 Kältemaschinen und Wärmepumpen mit realen Fluiden 218 8.4 Weiterführende Literatur zu Kreisprozessen 226 II Wärmeübertragung 227 9 Einführung in die Wärmeübertragung 229 10 Stationäre Wärmeleitung 233 10.1 Fouriersches Erfahrungsgesetz 233 10.2 Wärmeleitkoeffizient 236 10.2.1 Metalle bzw. elektrische Leiter 237 10.2.2 Gase und Dämpfe 238 10.2.3 Flüssigkeiten 240 10.2.4 Nichtmetalle, Bau- und Isolierstoffe 241 10.3 Fouriersche Differentialgleichung 242 10.3.1 Differentialgleichung für das Temperaturfeld... 242 10.3.2 Grenzbedingung 244 10.4 Eindimensionale stationäre Wärmeleitung ohne Quellen. 246 10.5 Eindimensionaler Wärmedurchgang 251 10.6 Berippte Wände 259 10.6.1 Äquivalenter Wärmeübergangskoeffizient 260 10.6.2 Berechnung von anderen Rippenformen 262 10.7 Eindimensionale Wärmeleitung mit Quellen 265 10.8 Temperaturabhängige Wärmeleitfähigkeit 266 10.9 Mehrdimensionale stationäre Wärmeleitung 269 11 Instationäre Wärmeleitung 271 11.1 Quasistatische instationäre Wärmeleitung 274 11.1.1 Erwärmung oder Abkühlung eines Vollkörpers.. 274 11.1.2 Temperaturausgleich zwischen einem Körper und einem isolierten Fluidbecken 276 11.1.3 Näherungsverfahren nach Schlünder 278 11.1.4 Numerische Lösung 280 11.2 Einseitig unendlich ausgedehnte ebene Wand 283 11.3 Einfache Körper 288 11.4 Periodische Umgebungstemperaturänderung 296
Inhaltsverzeichnis 11.5 Phasenübergang fest-flüssig 303 11.6 Differenzenverfahren 307 12 Konvektion 313 12.1 Wärmeübergangskoeffizient 313 12.2 Ähnlichkeitskennzahlen 316 12.3 Grenzschichten 318 12.3.1 Strömungsgrenzschicht 318 12.3.2 Temperaturgrenzschicht 322 12.4 Ähnlichkeitstheorie 324 12.5 Freie Konvektion 332 12.5.1 Freie Konvektion an Wänden und Einzelkörpern. 333 12.5.2 Freie Konvektion in Spalten 335 12.6 Erzwungene Konvektion 337 12.6.1 Erzwungene Konvektion in Rohren und Kanälen. 338 12.6.2 Erzwungene Konvektion an Wänden und Körpern 341 12.7 Wärmeübergang bei gemischter Konvektion 346 12.8 Wärmeübergang bei Kondensation 347 12.9 Wärmeübergang bei Verdampfung 353 12.9.1 Behältersieden 354 12.9.2 Strömungssieden 356 13 Wärmestrahlung 359 13.1 Energiebilanz der Strahlung 360 13.2 Gesetze des Schwarzen Strahlers 362 13.3 Reale Strahler 367 13.3.1 Technische Oberflächen 367 13.3.2 Strahlungsaktives Medium 368 13.3.3 Gase 369 13.4 Grauer Strahler 371 13.4.1 Beschreibung der realen Strahler mit dem Modell des Grauen Strahlers 371 13.4.2 Gasstrahlung 374 13.5 Strahlungsaustausch 379 13.5.1 Einstrahlzahl 380 13.5.2 Strahlungsaustausch ohne strahlungsaktives Zwischenmedium 386 13.5.3 Strahlungsaustausch zwischen einem strahlungsaktiven Gas und einer Wand 394
Inhaltsverzeichnis 7 13.5.4 Wärmeübergangskoeffizient bei Strahlung... 395 13.6 Solarstrahlung 398 13.6.1 Solarkonstante 398 13.6.2 Direkte Sonnenstrahlung 400 13.6.3 Diffuse Strahlung 405 13.6.4 Global- oder Gesamtstrahlung 407 14 Wärmeübertrager 409 14.1 Mischwärmeübertrager 410 14.2 Rührkessel 410 14.3 Rekuperatoren 415 14.3.1 Überblick zur Berechnung von Rekuperatoren.. 415 14.3.2 Betriebscharakteristik für einige Stromführungen 422 14.3.3 Gekoppelte Rekuperatoren 432 14.4 Regeneratoren 437 15 Anhang 443 15.1 Thermodynamische Stoffwerte 443 15.2 Strahlungseigenschaften 455 Literaturverzeichnis 457 Index 464